【热坛讲堂】感应电炉熔炼时，干扰元素对铸铁性能会有哪些影响？

联合铸造 热加工行业论坛 今天【热坛讲堂】感应电炉熔炼时，干扰元素对铸铁性能会有哪些影响？从上世纪60年代起，铸铁行业中采用感应电炉作为熔炼设备的企业逐渐增多。尤其是70年代以后，中频无心感应电炉的电源有了重大的改进，熔制铸铁时热效率可达到70%，电炉设备和所用的耐火材料也在不断发展，因而其应用日益广泛。用感应电炉熔炼铸铁时，炉料中铸造生铁锭的用量很少，废钢所占的份额增多，而钢材中的合金元素对铸铁（尤其是球墨铸铁）的性能却大都有负面影响，甚至成了污染元素。另一方面，在冲天炉熔炼过程易于脱除的低沸点元素，如Pb（1755℃）、Sb（1640℃）、Bi（1481℃）、Te（989.8℃）、As（615℃升华）、Cd（767℃）、Zn（419.5℃）等，用感应电炉熔炼时就较难以脱除，从而易于显现其负面影响。综合起来，干扰元素对铸铁性能会有如下影响：1．形成碳化物钢材中的合金元素，如Mn、Cr、V、Mo、Ti、B等，都是很强的碳化物形成元素，而且易偏析于铸件最后凝固的部位，在晶界处浓度很高。对于灰铸铁，由于其组织中存在大量片状石墨，强度本来就不高，延性和韧性很差，晶界处碳化物的影响并不那么明显。对于球墨铸铁，尤其是铁素体球墨铸铁件、等温淬火球墨铸铁件和优质厚截面球墨铸铁件，晶界处碳化物的影响往往是至关重要的。图1和图2都是厚壁球墨铸铁件晶界处的碳化物。这类碳化物对材质的力学性能影响很大，而且出现这类碳化物时铸件内部往往随之产生小的缩孔或疏松。图1 富Ti的晶界碳化物 图2 富Mo的复合碳化物表2中列出了这类元素的来源、对铸铁性能的影响及建议的含量控制值（特殊情况下作为合金元素加入时例外）。表2 铸铁中常见的碳化物形成元素元素来源在铸铁中的影响建议的控制值Mn生铁、废钢促进白口倾向形成晶界碳化物珠光体球墨铸铁件0.5％铁素体球墨铸铁件0.2％Cr废钢促进白口倾向，0.05％以上即形成晶界碳化物铁素体球墨铸铁件、厚大件0.05％一般球墨铸铁件0.1％V废钢灰铸铁中细化片状石墨增加珠光体量，显著提高铸铁强度含量太高即形成游离渗碳体灰铸铁中0.5％球墨铸铁中0.1％铁素体球墨铸铁中0.02％Mo废钢形成晶界碳化物厚大球铁铸件0.05％Ti废钢、生铁强碳化物形成元素灰铸铁中促成D型石墨球墨铸铁中导致石墨畸变灰铸铁中0.3％球墨铸铁中0.05％B感应炉衬形成稳定的碳化物0.005％2．对石墨球化的影响铸铁中加入Mg和以Ce为代表的稀土元素后，可以使石墨球化。如果金属炉料中含有阻碍石墨球化的元素，就会影响石墨的球化。阻碍石墨球化的作用大致可分为两个方面：（1）与Mg或稀土元素反应，产生氧化物、硫化物和氮化物，消耗球化元素。起这种作用的主要是氧、硫和氮。此外，碲（Te）和硒（Se）也是消耗球化剂的元素。（2）球状石墨生成后，提高铸铁中的液相的稳定性，使石墨长大过程中，在各个方向成长不均匀，从而导致石墨球畸变。起这种作用的主要是磷、铝、锡、铜、硼、锑、钛、铌等元素。这类元素偏析的倾向强，可以使铁中的液相稳定，促进石墨成长的异向性，从而影响石墨的形态。硼、锡、锑、铜对石墨形态的影响见图3。a）含B 0.04％ b）含Sn 0.48％；c）含Sb 0.085％ d）含Cu 2.25％图3 硼、锡、锑、铜对石墨形态的影响还有一些元素，如铅、铋等，兼有上述两种作用。各种影响石墨球化的元素及其作用，简略归纳于表3。表3 影响石墨球化的元素及其对石墨组织的影响元素作用方式对球墨铸铁组织的影响O、S、Se、Te消耗球化剂，从而影响石墨的球化易产生片状石墨或蠕虫状石墨Sb、Sn、As、B、Al、Ti、Cu不消耗球化剂，但偏析于奥氏体晶界，稳定液相，影响石墨的形态石墨球不圆整、形状不规则，可出现团块状、絮团状、团片状石墨，也可出现蠕虫状石墨Pb、Bi兼有以上两种作用可出现团块状、絮团状、团片状、蠕虫状石墨，也可出现团片状石墨但是，铁液中含钛量增多时，各种元素的允许含量还应进一步降低。在不同的钛含量下，砷、锡、铋、铅、锑等元素的球墨铸铁中石墨形态的影响见图4。图4 在不同的钛含量下，砷、锡、铋、铅、锑对石墨形态的影响因此，生产优质球墨铸铁件时，应特别留意铸铁中的钛含量。最近，制造高强度球墨铸铁件时，常常加入较多的铜。在这种条件下，应尽可能地将铸铁中的铝含量控制得低一些。3．产生缩孔的倾向增大缩孔的特征有表面缩孔和内部的缩孔、缩松。钛、铝的含量增高，铁液的流动性恶化，产生表面缩孔的倾向增大。磷、锰、铬、钒、钼等元素易偏析于最后凝固的部位，形成复合碳化物，导致产生内部缩孔、缩松的倾向增大。日本三重县技术综合研究所藤川、村川等人的研究工作表明：灰铸铁中含有铝、钛、钒、铬、磷等元素，产生缩孔的倾向增大；球墨铸铁中，铝含量自0.02％增加到0.4％，产生缩孔的倾向增大。4．灰铸铁的强度降低灰铸铁组织中石墨的形态（A型、B型、C型、D型或型E），对其力学性能有重要的影响，难以由硬度预测其强度。灰铸铁中铅含量在0.005％以上，就可能产生魏氏体型石墨，导致强度显著降低。如果铸铁中还含有铝、氢、钙等元素，铅含量在0.005％以下，就可能出现魏氏体型石墨。一种厚壁灰铸铁件（厚度100～150㎜）在使用过程中破断，作失效分析时发现，虽然基体组织基本上是珠光体，由于石墨为魏氏体型，硬度为148 HB，分析结果表明铅含量很高，为0.025％，破断处的显微组织见图5。图5 厚壁灰铸铁件中因含铅而致的魏氏体型石墨灰铸铁中常加入锑或锡，以稳定珠光体，提高其硬度。但是，如加入量太多，虽然硬度提高了，强度却反而会降低。碳当量较高的灰铸铁中，锡的加入量对灰铸铁硬度和强度的影响见图6。灰铸铁中添加锑，也有同样的影响，而且易于使石墨的形态变异。图6 锡加入量对灰铸铁硬度和抗拉强度的影响灰铸铁强度低下时，有必要注意钛的有害作用。钛含量增多时，加以铁液中含有的硫的作用，会促使D型石墨形成。部分石墨成为D型后，基体组织中的铁素体增多，会使铸铁的强度降低。干扰元素‘钛’不仅来自废钢，我国生产的高硅铸造生铁中也往往含有钛，选用时应加注意。印度生产的铸造生铁中也有这样的问题。5．铸铁的硬度低近年来，美国经常发生珠光体球墨铸铁的硬度低于寻常的情况，为查明其原因进行了研究，最近已经明确这是硼的影响。铸铁中硼含量超过0.002％，就可以抑制铜稳定珠光体的作用，使铸铁的硬度降低。因此，生产中不仅要注意废钢和其他炉料中所含的硼，采用感应电炉熔炼时，还应注意筑炉材料中加入的硼酸所造成的污染。6．感应电炉炉衬的寿命低近年来，用于熔炼铸铁的感应电炉日益增多，炉衬寿命不高的情况也十分多见，当然，耐火材料品质不高、筑炉工艺掌握不好是出现这类问题的主要原因，但是，也不能忽视炉料带来的问题。如果采用镀锌钢板作炉料，锌受热后蒸发，侵入炉衬内，就会使炉料寿命降低。新筑的炉衬烧结期间，锌蒸汽的影响尤为严重。免责声明：除注明原创及明确标注来源外，文章系网络转载，版权归原作者所有。但因转载众多，或无法确认真正原始作者，故仅标明转载来源，如标错来源，涉及作品版权问题，请与我们联系，我们将在第一时间协商版权问题或删除内容！欢迎大家点击阅读原文，进入论坛进行讨论。敬请长按下方的二维码关注我们，以便获取最新的资讯信息。或者搜索公众号RJGRZM阅读原文阅读 30